Η μνήμη των βαρυτικών κυμάτων

19/06/2024

Φυσικοί επανεξέτασαν την μνήμη βαρυτικών κυμάτων ως το κλειδί για τη μέτρηση των χωροχρονικών συμμετριών. Συγκεκριμένα, έδειξαν πώς αυτές οι συμμετρίες μπορούν να διερευνηθούν μέσω των παρατηρήσεων βαρυτικής μνήμης μετατόπισης και περιστροφής, αντίστοιχα.

Η παρατήρηση της μνήμης βαρυτικών κυμάτων μπορεί να βοηθήσει τους φυσικούς να ελέγξουν τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας σχετικά με συμμετρίες μεγάλης κλίμακας στον ιστό του χωροχρόνου

Τα βαρυτικά κύματα παραμορφώνουν τον ίδιο τον χωροχρόνο. Έχουν όμως και μια λιγότερο γνωστή (και λιγότερο κατανοητή) ιδιότητα. Μετά το πέρασμά τους, αφήνουν ένα μόνιμο αποτύπωμα στο σύμπαν, αλλάζοντας για πάντα τις αποστάσεις μεταξύ δύο σημείων στο διάστημα. Αυτό το φαινόμενο της βαρυτικής μνήμης, προβλέπεται από τη γενική σχετικότητα να είναι πολύ μικρής έντασης, αλλά θα μπορούσε ενδεχομένως να ανιχνευτεί σε μελλοντικούς ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, όπως η LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Μια νέα θεωρητική μελέτη από τους Boris Goncharov et al διερευνά το τι θα μπορούσαμε να μάθουμε για τις χωροχρονικές συμμετρίες του σύμπαντος από την ανίχνευση της βαρυτικής μνήμης. Συμπεραίνουν ότι οι παρατηρήσεις του φαινομένου της βαρυτικής μνήμης θα μπορούσαν να προσφέρουν πληροφορίες για το πώς η γενική σχετικότητα μπορεί να ενοποιηθεί με την κβαντική θεωρία.

Τα βαρυτικά κύματα δημιουργούνται όταν πραγματοποιούνται κατακλυσμικά φαινόμενα όπως εκρήξεις σουπερνόβα ή συγχώνευση μαύρων τρυπών ή ακόμη και η γέννηση του ίδιου του σύμπαντος με την Μεγάλη Έκρηξη. Όταν ένα βαρυτικό κύμα διαπεράσει δύο αντικείμενα – ας πούμε, δύο δοκιμαστικές μάζες σε έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων – προκαλεί ταλαντώσεις στην απόσταση μεταξύ των αντικειμένων.

Το 1991, ο Δημήτρης Χριστοδούλου στην εργασία του με τίτλο «Nonlinear nature of gravitation and gravitational-wave experiments» διατύπωσε το αποκαλούμενο στη Φυσική «Christodoulou memory effect» ή «Christodoulou permanent displacement» ή για συντομία φαινόμενο μνήμης που αφορά την επ’ άπειρον μη γραμμική φύση των βαρυτικών κυμάτων. Όταν ένα βαρυτικό κύμα κινείται μέσω μιας πειραματικής συσκευής, μετατοπίζει προσωρινά τις δοκιμαστικές μάζες που σύντομα σταματούν αφού περάσουν τα κύματα. Ο Χριστοδούλου έδειξε ότι οι δοκιμαστικές μάζες δεν επιστρέφουν ακριβώς στις αρχικές τους θέσεις. H γεωμετρία του χωροχρόνου διατηρεί μια μνήμη του διερχόμενου βαρυτικού κύματος και αλλάζει μόνιμα από αυτό – ένα φαινόμενο που θα μπορούσε να ανιχνευθεί. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την κατάσταση μιας επιφάνειας λίμνης που διαταράσσεται προσωρινά από μια πέτρα γιατί η λίμνη θα επιστρέψει τελικά στην αρχική της κατάσταση. H μόνιμη μετατόπιση των πειραματικών μαζών ενός ανιχνευτού βαρυτικών κυμάτων εξαιτίας του «φαινομένου μνήμης» οφείλεται στην μη-γραμμικότητα των εξισώσεων Αινστάιν.

Το 2016, οι φυσικοί αποκάλυψαν ένα δεύτερο είδος βαρυτικής μνήμης, που ονομάζεται μνήμη ιδιοπεριστροφής, η οποία είναι ένα αποτύπωμα της στροφορμής των πηγών των βαρυτικών κυμάτων [«New Gravitational Memories«, Sabrina Pasterski, Andrew Strominger, Alexander Zhiboedov]. Αυτή η βαρυτική «συστροφή» έχει μόνιμη επίδραση στην περιστροφική κίνηση των αντικειμένων. Το φαινόμενο μνήμης ιδιοπεριστροφής αναμένεται να είναι πολύ μικρότερης έντασης σε σχέση με το φαινόμενο μνήμης Χριστοδούλου. Προς το παρόν τα σημερινά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων δεν μπορούν να ανιχνεύσουν κανένα από τα δύο φαινόμενα.

Οι μελλοντικοί ανιχνευτές μπορεί να έχουν καλύτερη τύχη. Ο Goncharov και οι συνάδελφοί του εξετάζουν τις προοπτικές ανίχνευσης βαρυτικής μνήμης με τον ανιχνευτή LISA καθώς επίσης και με δύο ακόμα μελλοντικούς επίγειους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν (ET) και τον Κοσμικό Εξερευνητή. Σε αντίθεση με προηγούμενες εργασίες που εξερεύνησαν πιθανά σήματα βαρυτικής μνήμης, οι ερευνητές διερευνούν το πώς η ανίχνευση βαρυτικής μνήμης μπορεί να αποκαλύψει πληροφορίες για συμμετρίες που είναι ενσωματωμένες στο χωροχρονικό ιστό του σύμπαντος μας. Αυτές οι λεγόμενες ασυμπτωτικές συμμετρίες αφορούν γεωμετρικές διεργασίες (όπως μετατοπίσεις και περιστροφές) που εκτελούνται σε μεγάλες αποστάσεις – μακριά από κάθε γαλαξία ή άλλες μάζες – όπου η βαρύτητα τείνει στο μηδέν. Υπάρχουν διαφορετικά μοντέλα που περιγράφουν αυτές τις συμμετρίες και πόσες από αυτές υπάρχουν.

Ο Goncharov και οι συνεργάτες του εξετάζουν την επίδραση που μπορεί να έχουν αυτά τα διαφορετικά μοντέλα συμμετρίας στις πιθανές παρατηρήσεις των φαινομένων μνήμης. Διαφορετικά μοντέλα συμμετρίας παράγουν διαφορετικές μορφές μνήμης επιτρέποντας διαφορετικές παραμορφώσεις του χωροχρόνου σε μεγάλες αποστάσεις. Ένα μοντέλο, για παράδειγμα, δημιουργεί μνήμη μετατόπισης αλλά όχι μνήμη περιστροφής, ενώ ένα άλλο παράγει και τα δύο φαινόμενα.

Οι ερευνητές προσομοιώνουν σήματα βαρυτικών κυμάτων σε διάφορα σενάρια. Τα αποτελέσματά τους δείχνουν ότι ο ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων LISA θα μπορούσε ενδεχομένως να κάνει διάκριση μεταξύ διαφορετικών μοντέλων συμμετρίας σε γεγονότα συγχώνευσης υπερμαζικών μαύρων τρυπών. Το τηλεσκόπιο Αϊνστάιν και ο Κοσμικός Εξερευνητής μπορεί να δυσκολεύονται να δουν φαινόμενα μνήμης από μεμονωμένα γεγονότα, αλλά θα μπορούσαν να παρέχουν πληροφορίες από αθροιστικές παρατηρήσεις.

Αν οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορούν να απομονώσουν τα φαινόμενα μνήμης και επιπλέον, να δουν υπογραφές ενός συγκεκριμένου μοντέλου συμμετρίας, τότε οι ερευνητές θα μπορούσαν να εξάγουν κάποια συμπεράσματα για την κβαντική θεωρία πεδίου. Ο λόγος έχει να κάνει με το «Τρίγωνο Pasterski–Strominger–Zhiboedov», μια θεωρητική κατασκευή που συνδέει τρεις περιοχές στη θεμελιώδη φυσική: φαινόμενα μνήμης, χωροχρονικές συμμετρίες και τα λεγόμενα μαλακά θεωρήματα που περιγράφουν την συμπεριφορά σκέδασης χαμηλής ενέργειας στην κβαντική φυσική. Η κατανόηση μιας γωνίας του τριγώνου μπορεί να οδηγήσει σε πληροφορίες για τις άλλες γωνίες. Σύμφωνα με τον Goncharov: «Αυτό μπορεί να είναι ένας δρόμος προς μια ενοποίηση της βαρύτητας και της κβαντικής θεωρίας, ένας ακρογωνιαίος λίθος που λείπει στη σύγχρονη φυσική.

«Πιστεύω ότι αξίζει τον κόπο να προσπαθήσουμε να [προβλέψουμε τα αποτελέσματα της μνήμης] από παρατηρησιακή άποψη», λέει ο Paul Lasky, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Monash της Αυστραλίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην μελέτη. Ωστόσο, επισημαίνει ότι οι περισσότεροι ερευνητές αναμένουν ότι τα σήματα μνήμης θα περιλαμβάνουν και συνεισφορές μετατόπισης και περιστροφής. Αν όμως οι μελλοντικοί ανιχνευτές δεν επιβεβαιώσουν αυτές τις προσδοκίες, κανείς δεν ξέρει τι θα σήμαινε αυτό για τη γενική σχετικότητα και την κβαντική θεωρία πεδίου. «Δεν νομίζω ότι υπάρχει προς το παρόν μια σαφής κατανόηση του τρόπου ερμηνείας πιθανών παρατηρήσεων που δεν θα συμφωνούσαν με τις προσδοκίες μας. Κάτι που κάνει όλο αυτό πραγματικά διασκεδαστικό και ενδιαφέρον!».

Πηγές:
1. Gravitational-Wave Memory May Illustrate Spacetime Symmetries – https://physics.aps.org/articles/v17/95
2. Inferring fundamental spacetime symmetries with gravitational-wave memory: from LISA to the Einstein Telescope – https://arxiv.org/abs/2310.10718
3. Μια αναφορά στο «Christodoulou memory effect»

ΠΗΓΗ: physicsgg.me